穆勒家保姆

“女士们，先生们，太空电梯即将到达失重空间站， 请做好准备， 从右侧梯门下梯。”“Ladies  andgentelmen， we are approaching space station. Pleaseprepare to get off the elevator. The  door will be open atthe right side.”如果我说，有一天你将亲耳听见这样的播报声，你相信吗？

太空电梯的缘起

20世纪初，被誉为“航天之父“的俄国科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基提出过几大构想：火箭使用液体燃料；宇宙空间中反作用力是移动的唯一方法；将两节以上的火箭串联起来，组成一列多级火箭，以此提高火箭的速度。在100多年后的今天，这些设想都已经成为航天领域的重要应用。

然而， 他在1895年提出的一个设想却至今仍未实现。他提议在地面上建设一座超高的铁塔，将之一直建到地球同步轨道为止，在铁塔内架设电梯，这样人类便可以搭乘电梯进入外太空。这，便是太空电梯最初的设想。

齐奥尔科夫斯基是在参观了法国埃菲尔铁塔后受到启发，提出了太空电梯的设想！但是，地球同步轨道距离我们约3.6万千米，目前世界上最高的建筑是位于迪拜的哈利法塔，高度却只有828米。这样一看，似乎太空电梯的设想是无法实现了。别急！我们先来想想怎幺解决这个难题！

如果一时半会儿没有思路的话，先试着回答下面这个问题：假如要把一只风筝放到250米的高空，除了在地面上奔跑，不断放长线绳，将风筝放飞到空中外，还能怎幺做？你可以坐直升机到空中更高的位置，将风筝扔出，然后慢慢放线，让风筝到达离地面250米的半空。

同样的，我们想要建造一座直达外太空的电梯，最重要的就是需要提供绳索和轨道，那幺，既然从地面向上建造不现实，我们是否能从太空中“扔”下绳索？我们可以先发射一颗地球同步卫星，然后从卫星上将绳索“垂”到地面，在地面将其固定，这样便形成了太空电梯的运行轨道。如今的太空电梯计划，正是基于这种逆向思维展开的。

大林组的太空电梯计划

在众多太空电梯计划中，日本着名建筑公司大林组在2012年宣布的太空电梯计划格外受世人关注。

2012年2月，擅长建高塔的大林组宣布要投资100亿美元建设太空电梯，预计电梯时速200千米，单程需要7天抵达目的地。大林组计划于2025年左右在赤道附近的海上开工，于2050年左右落成运营。然而，10年过去了，该项目的运行似乎并不顺利，就连大林组一直参与太空电梯研发的高级工程师石川洋二都坦言，这个项目越开展越困难。

首先，不考虑一切外部因素，太空电梯主要由4个部分构成：电梯的厢体，厢体上下运行所需的缆绳、轨道，在地球上固定缆绳的海上基地以及配重。前面三个似乎很容易理解，但为什幺还需要配重呢？

回到刚才的太空电梯设想中，我们要从同步卫星上“扔”下缆绳，将其一直“垂”到地球上，可随着缆绳的逐渐下降，缆绳的重量会对地球同步卫星产生面向地心的拉力。也就是说，缆绳在下降的过程中，会把原本稳定的同步卫星给“拽”下来。为了解决这个问题，我们在下放缆绳的同时，必须想办法同步抵消这种拉力。

但新的问题又来了，缆绳实际上并非处于静止状态，而是随着同步卫星在高速转动，在此过程中，缆绳很可能会断裂。太空电梯对材料抗拉能力的要求非常苛刻，即便用钢来做缆绳，也会在强大的引力作用下变形。至此，如何找到密度小、抗拉强度大的材料成为棘手的问题。

破解缆绳难题

目前，最有可能满足上述要求的材料是碳纳米管——由碳原子组成的管状结构的纳米材料，这是目前已知的理论上力学强度最高且韧性最好的材料。

碳纳米管的密度大约是1700kg/m2，如果用碳纳米管做太空电梯的缆绳，碳纳米管的抗拉强度至少要达到9 0GPa。目前，我们能够在实验中合成的碳纳米管的抗拉强度可以达到200GPa，对于具有理想结构的单壁碳纳米管而言，其抗拉强度甚至可以达到800GPa。这样看来，只要生产出足够长的碳纳米管，问题似乎就能迎刃而解。

然而，太空电梯的探索之路注定崎岖不平。虽然自1991年日本科学家饭岛澄男发现并命名了碳纳米管之后，许多研究团队重新拾起了太空电梯计划，但大家很快就发现，受制备工艺所限，实际能够制备出的碳纳米管非常有限，且存在结构缺陷。太空电梯的探索之路又遇障碍。

2013年，清华大学魏飞教授及其团队的相关研究，使太空电梯计划迎来了一线曙光。该团队提高了生产碳纳米管的催化剂活性概率，并成功制备出了单根长度超过半米且具有完美结构的碳纳米管。目前，他们正在研制长度在千米级以上的碳纳米管。

碳纳米管的窘境

如果要将碳纳米管用于太空电梯项目，就必须考虑其耐久性。为了检验碳纳米管的耐久性，日本大林组于2015年将碳纳米管样品送到了位于地表上空400千米左右的日本实验舱内。样品被放置在太空中两年后，又被重新带回地球。研究人员分析后发现，碳纳米管的表面已受损。

要知道，400千米高空属于大气层中的电离层，空气极其稀薄，即便是这样，两年时间里碳纳米管已遭到破坏。可以想象，暴露在对流层内的缆绳会面临更加严峻的考验。

提高缆绳耐久性方面的研究虽然困难重重，但从未停止。当然，除了耐久性问题的探索以外，还有很多难题有待解决。例如，如何确保电梯厢体具有足够的动力支持，可以一直从地面升到太空站？再比如，如何让太空电梯自动躲避太空碎片和一些可能撞上来的卫星？等等。

太空电梯的遥想

既然建造太空电梯这幺困难，为什幺我们还要执着于这个设想呢？

在目前的国际商业卫星发射中，每千克载荷的运输成本在0.2万～2万美元之间。一趟太空旅行至少需要10万美元。假设太空电梯可以建设成功，不考虑初期的建设成本，根据日本大林组的预估，每千克载荷的运输成本约为200美元。也就是说，建成太空电梯后，不仅太空观光成为可能，人类还能够实现低成本在地球和太空间运输物资。这，也许会成为人类太空探索史上最动人心魄的转折点！

仰望天空，自由畅想。也许终有一天，人类会看到一座宏大的天梯，穿过遥远的云层，以摧枯拉朽之势冲向地表，纵贯天地，艳绝古今。

本文转自微信公众号“中科院物理所”